Page 129 - 《爆炸与冲击》2026年第6期

第 46 卷 黄 琦，等： 复合型聚能药型罩作用下岩石的定向断裂 第 6 期

侵彻深度与开孔孔径均呈现先增大至峰值后逐渐减小的演化规律。

4.5 数值模拟与焦散线实验的对比验证
为检验数值模型的合理性，将模拟结果与动态焦散线实验结果进行对比分析。动态焦散线实验能
够清晰记录裂纹的起裂与扩展过程，并获得裂纹扩展长度等关键参数，但受实验观测条件限制，难以直
接测量金属射流在试件中的侵彻深度。本文将数值模拟得到的金属射流侵彻深度与实验测得的裂纹扩
展长度变化规律进行比较，从变化趋势上对模型进行间接验证。

结合表 4、9 统计数据，图 18 绘制了不同开口 22 22
角条件下射流侵彻深度与裂纹扩展长度变化关系 20
图。焦散线实验表明，聚能方向裂纹扩展长度随 18 18
开口角增大呈现先增后减趋势，并于 60°达到最大 Penetration depth/mm 20 16
16
14.4 cm，反映该工况下爆炸能量在聚能方向的集 14 14 Crack propagation length/cm
中程度最高。模拟结果显示， 60°工况下射流结构 12 Penetration depth 12
最为完整、头部速度最快，侵彻深度达 21.5 mm， 10 Crack propagation length 10
入射孔径为 14.1 mm，均为各工况中最大值。 8 8
30 45 60 75
对比发现，射流侵彻深度与裂纹扩展长度
Angle/(°)
随开口角的变化趋势一致，这表明射流侵彻能力
图 18 不同开口角条件下射流侵彻深度与
的增强有利于爆炸能量在聚能方向的集中与裂
裂纹扩展长度变化关系
纹扩展。模拟结果与实验观测在整体变化趋势
Fig. 18 Relationship of jet penetration depth and crack
上具有高度一致性，验证了所建立模型的可靠性。 propagation length with different opening angles

5 结 论

采用动态焦散线实验、分形维数分析及 AUTODYN 数值模拟方法探究了复合型聚能药型罩作用下
岩石定向断裂机理研究，得到以下主要结论。
(1) “切缝+聚能”复合药型罩具有显著提升岩石定向断裂的能力，且存在最优开口角：动态焦散线
及分形维数分析表明，该结构能够显著增强聚能方向裂纹扩展并抑制非聚能方向损伤，裂纹长度及聚能/
非聚能方向分形维数比值随开口角增大呈“先增后减”规律，当开口角为 60°时，定向裂纹最长、非聚能
区损伤最小，定向控制效果最佳。
(2) 裂纹扩展与能量释放表现出典型三阶段动态演化特征，裂纹扩展速度与动态应力强度因子均经历
“应力波驱动-爆生气体主导-反射拉伸衰减”三阶段；开口角为 60°时速度峰值和动态应力强度因子最大；
爆炸能量释放率随开口角增大而增大，在 75°时达到最大，但此时裂纹定向性与围岩保护劣于 60°工况。
(3) 数值模拟揭示了“爆生气体准静态作用-金属射流高速侵彻”的双重作用机理，并验证了 60°的
结构优越性。应力云图与侵彻结果表明，复合药型罩爆炸过程经历“爆生气体流-金属射流-射流断裂”
三阶段，开口角为 60°时射流形态最完整，头部速度最快达 1 686 m/s，对岩体产生的应力集中最强，侵彻
深度（21.5 mm）和入射孔径（14.1 mm）均为最大，可为复合聚能装药结构参数优化及岩体定向控制爆破设
计提供了可靠数值依据。

参考文献：
[1] LYU G P, ZHOU C B, JIANG N. Experimental and numerical study on tunnel blasting induced damage characteristics of
grouted surrounding rock in fault zones [J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2023, 56(1): 603–617. DOI: 10.1007/
s00603-022-03055-8.
[2] MAO X, MA T B, LIU J. Structure optimization of linear shaped charge based on different explosives [J]. Propellants,
Explosives, Pyrotechnics, 2024, 49(5): e202300321. DOI: 10.1002/PREP.202300321.
[3] 何满潮, 郭鹏飞, 张晓虎, 等. 基于双向聚能拉张爆破理论的巷道顶板定向预裂 [J]. 爆炸与冲击, 2018, 38(4): 795–803.

061423-14